896 工程科学学报，第43卷，第7期 如图2所示，实验中切缝药包管壳为采用树脂 材料通过3D打印技术制作而成.其中，切缝药包 管壳的外径为8mm,管壳厚度为1mm,切缝宽度 为0.7mm,切缝长度为3mm.模型实验中所采用 的炸药为叠氨化铅(PbN32),PbN3h是一种起爆 药，适用于小药量的模型实验研究.PbN3)2的爆热 为1524kJ-kg,爆容为308Lkg,爆速为4478ms 实验中，在切缝药包管壳内装填PbN3h,单孔装药 图23D打印的切缝药包管壳 量为35mg,将金属探针插入炸药中，通过高压放 Fig.2 Slit charge tube by 3D printing 电起爆炸药实现对试件的爆炸加载 1.2实验原理与系统 透射后会发生偏转，使得参考平面的局部区域无 本模型实验主要采用动态焦散线方法2-2训来 光线投射，形成暗区.暗区的轮廓线被称为焦散 研究切缝药包爆破定向裂纹及节理起裂和扩展过 线，焦散线的形状和尺寸分别反映了裂纹尖端的 程中的动态行为.图3为动态焦散线方法的原理 受力状态和应力集中程度.图3中，σ为试件所受 示意图，裂纹尖端局部区域在应力的作用下对光 的应力，D为焦散线的特征尺寸，Z为试件平面到 线的透射特性产生影响，导致垂直入射的光线在 参考平面的距离 Incident Transmission light light Reference plane Incident Bright area light Dark area rack Mode I crack Bright area 4—Z。一 Mode I caustics 图3动态焦散线方法的原理示意图 Fig.3 Principle diagram of the dynamic caustics method 基于动态焦散线方法，采用数字激光动态焦 侧定向裂纹A2、A4和A6则沿切缝方向扩展至节 散线实验系统开展实验研究.由于爆破加载的瞬 理处，均未穿过节理.由此可见，与闭合节理或充 态性，为了捕捉实验中切缝药包爆破定向裂纹及 填节理不同的是，张开节理对裂纹的扩展具有显 节理起裂和扩展的全过程，实验系统中高速相机 著的阻滞作用，显著影响了切缝药包爆破定向裂 的拍摄速度设定为每帧100000s,即相邻两张照 纹的扩展.此外，3个试件均在节理端部M和N处 片之间的时间间隔为10s. 萌生并扩展出翼裂纹，两端翼裂纹的扩展形态和 分布状态基本相同 2试件破坏形态与裂纹分布 对节理端部M和N处萌生并扩展的翼裂纹长 3组实验完成后，对照分析发现组内试件的破 度1及其与切缝方向（水平方向）的夹角0进行测 坏形态具有很好的可重复性，每组实验随机抽取 量和统计，统计结果如表1所示.同一试件节理端 1个试件进行分析，分别记为试件S1-1、S2-1和 部产生的两条翼裂纹长度及其与切缝方向夹角基 S3-1.图4为爆破后试件破坏形态与裂纹分布，切 本相同，3个试件的翼裂纹长度平均值分别为 缝药包爆破后，沿切缝方向（水平方向）形成了两 57.7、51.4和61.8mm,3个试件的翼裂纹与切缝方 条平直的定向裂纹，并在非切缝方向形成了数条 向的夹角平均值分别为10.4°、11.1和14.3°.可见， 较短的爆生次裂纹，切缝药包爆破达到了良好的 节理的几何特征对翼裂纹起裂夹角和扩展长度均 定向断裂效果.其中，3个试件的左侧定向裂纹 有影响.其中，试件S2-1的翼裂纹扩展长度最小， A1、A3和A5沿切缝方向扩展至贯穿试件：而右 而试件S3-1的翼裂纹扩展长度最大.如图 2 所示，实验中切缝药包管壳为采用树脂 材料通过 3D 打印技术制作而成. 其中，切缝药包 管壳的外径为 8 mm，管壳厚度为 1 mm，切缝宽度 为 0.7 mm，切缝长度为 3 mm. 模型实验中所采用 的炸药为叠氮化铅（Pb(N3 )2），Pb(N3 )2 是一种起爆 药，适用于小药量的模型实验研究. Pb(N3 )2 的爆热 为 1524 kJ·kg−1，爆容为 308 L·kg−1，爆速为 4478 m·s−1 . 实验中，在切缝药包管壳内装填 Pb(N3 )2，单孔装药 量为 35 mg，将金属探针插入炸药中，通过高压放 电起爆炸药实现对试件的爆炸加载. 1.2    实验原理与系统 本模型实验主要采用动态焦散线方法[22−24] 来 研究切缝药包爆破定向裂纹及节理起裂和扩展过 程中的动态行为. 图 3 为动态焦散线方法的原理 示意图，裂纹尖端局部区域在应力的作用下对光 线的透射特性产生影响，导致垂直入射的光线在 透射后会发生偏转，使得参考平面的局部区域无 光线投射，形成暗区. 暗区的轮廓线被称为焦散 线，焦散线的形状和尺寸分别反映了裂纹尖端的 受力状态和应力集中程度. 图 3 中，σ 为试件所受 的应力，D 为焦散线的特征尺寸，Z0 为试件平面到 参考平面的距离. Z0 Bright area D Incident light Crack σ Reference plane σ Mode I caustics Mode I crack Incident light Transmission light Bright area Dark area 图 3    动态焦散线方法的原理示意图 Fig.3    Principle diagram of the dynamic caustics method 基于动态焦散线方法，采用数字激光动态焦 散线实验系统开展实验研究. 由于爆破加载的瞬 态性，为了捕捉实验中切缝药包爆破定向裂纹及 节理起裂和扩展的全过程，实验系统中高速相机 的拍摄速度设定为每帧 100000 s −1，即相邻两张照 片之间的时间间隔为 10 μs. 2    试件破坏形态与裂纹分布 3 组实验完成后，对照分析发现组内试件的破 坏形态具有很好的可重复性，每组实验随机抽取 1 个试件进行分析，分别记为试件 S1−1、S2−1 和 S3–1. 图 4 为爆破后试件破坏形态与裂纹分布，切 缝药包爆破后，沿切缝方向（水平方向）形成了两 条平直的定向裂纹，并在非切缝方向形成了数条 较短的爆生次裂纹，切缝药包爆破达到了良好的 定向断裂效果. 其中，3 个试件的左侧定向裂纹 A1、A3 和 A5 沿切缝方向扩展至贯穿试件；而右 侧定向裂纹 A2、A4 和 A6 则沿切缝方向扩展至节 理处，均未穿过节理. 由此可见，与闭合节理或充 填节理不同的是，张开节理对裂纹的扩展具有显 著的阻滞作用，显著影响了切缝药包爆破定向裂 纹的扩展. 此外，3 个试件均在节理端部 M 和 N 处 萌生并扩展出翼裂纹，两端翼裂纹的扩展形态和 分布状态基本相同. 对节理端部 M 和 N 处萌生并扩展的翼裂纹长 度 l 及其与切缝方向（水平方向）的夹角 θ 进行测 量和统计，统计结果如表 1 所示. 同一试件节理端 部产生的两条翼裂纹长度及其与切缝方向夹角基 本相同 ， 3 个试件的翼裂纹长度平均值分别 为 57.7、51.4 和 61.8 mm，3 个试件的翼裂纹与切缝方 向的夹角平均值分别为 10.4º、11.1º和 14.3º. 可见， 节理的几何特征对翼裂纹起裂夹角和扩展长度均 有影响. 其中，试件 S2–1 的翼裂纹扩展长度最小， 而试件 S3–1 的翼裂纹扩展长度最大. 图 2    3D 打印的切缝药包管壳 Fig.2    Slit charge tube by 3D printing · 896 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期